[发明专利]一种制备碳包覆三维多孔铜集流体的方法

说明书

本发明揭示了一种制备碳包覆三维多孔铜集流体的方法，以粉末烧结法制备三维多孔铜骨架，再通过弧光放电等离子体物理气相沉积法在其表面镀一层均匀的碳膜，得到碳包覆三维多孔铜（C@3D Cu）集流体。本发明以粉末烧结法制备三维多孔铜骨架，再通过弧光放电等离子体物理气相沉积法在其表面镀一层均匀的碳膜，得到碳包覆三维多孔铜（C@3D Cu）集流体。这种碳包覆三维多孔铜的复合结构改善了材料的机械强度并有效提高电池的容量的保持率、寿命及循环稳定性。该方法原理简单，成本较低，可实现大规模的生产。

技术领域

本发明涉及一种制备碳包覆三维多孔铜集流体的方法，可用于锂金属电池技术领域。

背景技术

由于金属锂具有3860 mAh·g^-1的高理论容量和-3.04 V（vs SHE.）的低氧化还原电位，锂金属电池（LMBs）有望成为下一代高能量储能设备之一，然而，由锂枝晶引发的安全问题阻碍了锂金属电池的商业化生产。在强电场和大极化作用下，异质沉积导致的枝晶生长，会不断破坏固体电解质界面膜（SEI），造成活性物质的不可逆损失，致使电池循环效率及容量保持率低下。另外，枝晶生长也可能刺穿隔膜，造成电池短路甚至爆炸等安全问题，这些都严重阻碍了锂金属电池的商业化生产。集流体在锂离子电池中作为负载锂的基体金属，其材料和结构直接影响金属锂的沉积行为，进而影响锂金属电池的电化学性能。现有的负极集流体如铜箔在电解液的浸泡下易发生严重的电化学腐蚀，降低了其导电性能。因此，制备能够抑制枝晶锂的生长且实现稳定高负载锂的集流体，是高能量密度电池产业化应用的关键。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种制备碳包覆三维多孔铜集流体的方法。

本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种制备碳包覆三维多孔铜集流体的方法，以粉末烧结法制备三维多孔铜骨架，再通过弧光放电等离子体法在其表面镀一层均匀的碳膜，得到碳包覆三维多孔铜集流体。

优选地，该方法包括以下步骤：

S1：清洁：将粒径均匀的铜粉用超纯水和无水乙醇多次清洗后，置于60℃恒温真空干燥箱干燥12h以上；

S2：研磨：将S1步骤清洗后的铜粉倒入研钵中，研磨至粉体无大块凝结，且均匀细腻；控制铜粉粒径、研磨时间，其中，铜粉粒径分布为1～10μm，研磨时间为30～60min。

S3：烧结：称取一定质量经清洗、研磨的Cu粉，将Cu粉填充在模具中，并施加压制压力制备粉末压坯；将装有粉末压坯的模具放入沉积腔中，打开真空泵，将沉积腔内抽至真空，再通入惰性气体，设置沉积腔温度和升温速率，并保温一段时间；装有粉末压坯的模具材质为石英或陶瓷材质。

优选地，在所述S2步骤中，铜粉粒径为5μm，研磨时间为50min；装有粉末压坯的模具材质为石英模具，通入的惰性气体为Ar，

优选地，在所述S3步骤中，控制沉积腔内真空度、温度、升温速率及保温时间，其中沉积腔真空度为2×10^-5～8×10^-5Pa，在本技术方案中，优选沉积腔真空度为5×10^-5Pa；温度为800℃～1000℃；升温速率为1～10℃/min，保温时间为3～5h。

优选地，在所述S3步骤中，沉积腔真空度为5×10^-5Pa，温度为900℃，升温速率为5℃/min，保温时间为4h。

优选地，该方法优选包括以下步骤：

清洁：将颗粒粒径分布在5μm的铜粉用超纯水和无水乙醇多次清洗后，置于真空干燥箱中，在60℃下恒温干燥12h以上；

研磨：将清洗后的Cu粉倒入研钵中，研磨50min，使粉体无大块凝结，且均匀细腻；